CN106202758A - 一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶以及下车顶，所述的上车顶、下车顶之间通过横梁焊接在一起，上车顶、下车顶的内部安装仿生负泊松比结构填充内芯，其中的车顶内部安装的仿生负泊松比结构填充内芯利用负泊松比结构的特殊能量特性有效吸收汽车在翻滚碰撞中的碰撞能量并提高汽车车顶的抗压强度，显著加强对成员的保护和提升汽车的被动安全性；本发明还公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，通过该方法可根据不同的设计目标和要求对仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计参数进行有效设计，在有效控制成本和重量的前提下进一步快速有效提升防护系统的能量吸收性能和抗压强度。

Description

一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法

技术领域

本发明属于汽车车身安全领域，特别是一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法。

背景技术

众所周知，汽车在行驶过程中由于机械故障、轮胎爆胎、路基塌陷、高速急转弯、碰撞和坑洼路面等原因容易发生翻滚事故。当汽车发生翻滚时，尤其是汽车车顶部分，在受到巨大载荷冲击作用下，很容易因为压溃产生较大的变形，车顶在变形时通常是往车体内部凹陷，此时致使车内乘员的生存空间显著减少。传统汽车车顶通常结构抗压强度不足，在汽车翻滚事故中发生较大的变形，使乘员舱受到严重挤压，容易对乘员造成较大伤害；严重时甚至出现外面物体侵入汽车乘员舱，乘员在受到严重挤压的同时还会受到外面物体的冲击，使得乘员在交通事故受到损伤的风险大大的增加。

为提高传统汽车车顶的抗压强度，主要通过以下几种方法：第一是增加汽车车顶的材料厚度，第二是增加汽车车顶横梁，第三是更换汽车的材料类型，第四是在汽车车顶设计合适的加强筋。首先，增加汽车车顶的材料厚度和增加汽车车顶横梁能有效提升车顶的抗压强度，但是在满足汽车翻滚要求的车顶设计的同时，汽车重量显著增加，尤其是汽车顶部的重量增加，导致汽车重量中心上移，降低车辆行驶稳定性甚至增加侧翻风险；于此同时，在增加车顶材料以及横梁使得生产成本显著增加。其次，更换汽车的材料类型能满足在重量不增加的前提下，但是应用能满足要求的新型材料虽然在一定程度上提高车顶抗压强度，但是它不能很好的吸收碰撞能量，如果单纯的通过应用新型材料来提高抗压强度，将显著增加汽车的成产成本，对汽车的市场竞争力提出严重挑战。最后，通过在汽车车顶设计合适的加强筋，这样的设计在重量和成本满足工业生产要求而又能有效提高车顶抗压强度的前提下，其提升的区间有限，且不能很好的满足翻滚碰撞对于汽车车顶的要求。因此，在有效控制汽车车顶重量和成本的前提下，设计一种抗压强度大、显著加强对乘员保护的汽车防护系统一直是本领域厄待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的汽车车顶在汽车翻滚碰撞中抗压强度低，容易发生压溃变形导致乘员容易受到伤害的不足，提出一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法，提高了汽车车顶的抗压强度，显著加强对乘员的保护。

本发明公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶以及下车顶，所述的上车顶、下车顶之间通过横梁焊接在一起，上车顶、下车顶的内部安装仿生负泊松比结构填充内芯，其中仿生负泊松比结构填充内芯与上车顶下车顶相连接，其中的车顶内部安装的仿生负泊松比结构填充内芯利用负泊松比结构的特殊能量特性有效吸收汽车在翻滚碰撞中的碰撞能量并提高汽车车顶的抗压强度，显著加强对成员的保护和提升汽车的被动安全性。

进一步，所述的上车顶、下车顶与横梁的连接方式为焊接。

进一步，仿生负泊松比结构填充内芯通过胶粘与上车顶以及下车顶相连接。

进一步，所述的仿生负泊松比结构填充内芯由仿生负泊松比结构元胞规则地顺序排列并相互连接。

进一步，所述的仿生负泊松比结构元胞是由胞壁围成的纵向轴对称结构，其截面呈规则的六边形。

进一步，所述的横梁包括前部横梁、中部横梁、后部横梁，所述的横梁将上、下车顶内部的仿生负泊松比结构填充内芯隔断为四部分。

本发明还公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，具体步骤如下，

1)对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行拓扑优化，确定前部横梁、中部横梁、后部横梁在仿生负泊松比结构汽车防护系统的基本位置，从而准确定位系统中较为薄弱和需要增强的部位；

2)在SFE-CONCEPT软件建立车顶和横梁的全参数化模型，在SFE-CONCEPT软件中应用参数化模型知识库建立上车顶、下车顶、前部横梁、中部横梁和后部横梁的全参数化模型，在汽车防护系统的全参数化模型包括参数化截面、参数化接头，当更改设计参数时，可通过对截面、移动作用点、拉伸或者弯曲基础线来快速实现零件拓扑和形状变化模型的建立，这样可以提高零件的建模速度和精度；

3)在MATLAB软件建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型，基于MATLAB软件和仿生负泊松比结构参数变形关系建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型；

4)将车顶和横梁的全参数化模型与仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型进行结合，从而建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的参数化模型，建立的参数化模型满足精度要求进行下一步，若不满足则重新建立，直至满足要求；在设计参数发生改变或进行试验设计时利用参数化模型可快速建立仿生负泊松比结构填充内芯的有限元分析模型，显著提升模型建立及性能分析的效率。

本发明公开的一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，还包括如下步骤，

5)采用拉丁超立方试验设计方法来进行样本点的选择，建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型，采用近似模型代替有限元模型进行计算，可以减少优化过程中频繁的调用仿生负泊松比结构汽车防护系统的有限元模型进行分析从而造成计算量过大和优化效率，同时采用拉丁超立方试验设计方法使得建立的近似模型精度更高；

6)验证仿生负泊松比结构汽车防护系统的精度；利用Kriging响应面模型技术和拉丁超立方试验设计方法进行结合所建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型，应用平方相关系数方法进行对近似模型的精度评判验证，满足要求进行下一步，若不满足，则返回步骤5)，直至模型满足要求；

7)应用多目标粒子群算法和蒙特卡洛模拟技术对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行6σ稳健性多目标优化，应用多目标粒子群算法对建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统近似模型寻找多目标优化设计解，应用多目标优化满意度评价函数对优化设计解进行评价，满意度评价函数S的值越小则代表优化解越好，其公式为，

$S=\underset{q=1}{\overset{t}{\Σ}}\frac{m_q-m_{q,\min }}{m_{q,max}-m_{q,\min }}$

式中，t为仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化中的目标数，m_q,max，m_q,min则分别为多目标优化设计解集中第q个目标函数的最大值和最小值；

8)对仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化最优解进行6σ质量分析，如果优化解满足6σ质量水平，则进行下一步验证；如果优化解不满足6σ质量水平，则返回步骤7)进行6σ稳健性多目标优化，直至优化结果满足设计要求；

9)利用参数化模型对优化结果进行验证；基于获得的稳健性多目标优化解，利用仿生负泊松比结构汽车防护系统参数化模型快速建立经过优化设计的系统有限元模型，并对相关性能进行分析和对稳健性多目标设计结果进行验证。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明公开一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，该汽车防护系统在有效控制车顶重量和成本的前提下，利用负泊松比结构的特殊能量特性，有效吸收汽车在翻滚碰撞中的碰撞能量并提高汽车车顶的抗压强度，显著加强对成员的保护和提升汽车的被动安全性；同时仿生负泊松比结构的优异隔振吸引特性亦能有效提高汽车的NVH水平和改善汽车的舒适性。

2.本发明的设计方法是采用拓扑优化、负泊松比结构参数化模型、SFE全参数化模型、拉丁超立方试验设计方法、Kriging响应面模型、多目标粒子群算法和蒙特卡洛模拟技术有效结合、仿生负泊松比结构汽车防护系统的6σ稳健性多目标优化方法，该设计方法可根据不同的设计目标和要求对仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计参数进行有效设计，在有效控制成本和重量的前提下进一步快速有效提升防护系统的能量吸收性能和抗压强度，提高汽车的被动安全性。

附图说明

图1是本发明仿生负泊松比结构汽车防护系统布置示意图。

图2是本发明仿生负泊松比结构汽车防护系统侧面的示意图。

图3是本发明仿生负泊松比结构填充内芯的示意图。

图4是本发明的稳健性设计优化原理图。

其中1-上车顶，2-下车顶，3-前部横梁，4-中部横梁，5-仿生负泊松比结构填充内芯，6-后部横梁，7-胞壁，8-仿生负泊松比结构元胞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶1、下车顶2以及横梁，上车顶1下车顶2之间通过横梁连接在一起，上车顶1下车顶2与横梁的连接方式为焊接，上车顶1下车顶2的内部安装仿生负泊松比结构填充内芯5，其中仿生负泊松比结构填充内芯5与上车顶1下车顶2相连接，其连接方式为胶粘连接，其中横梁包括前部横梁3、中部横梁4、后部横梁6，横梁将上、下车顶内部的仿生负泊松比结构填充内芯5隔断为四部分；如图3所示，其中的仿生负泊松比结构填充内芯5由仿生负泊松比结构元胞8相互连接，仿生负泊松比结构元胞8是由胞壁7围成的纵向轴对称结构，胞壁分为上胞壁，中胞壁以及下胞壁，其截面呈规则的六边形，并且仿生负泊松比结构填充内芯是由仿生负泊松比结构元胞8所组成的多层仿生负泊松比结构，各个仿生负泊松比结构元胞8单元间规则地顺序排列。

如图4所示，本发明的一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，具体步骤如下：

1)对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行拓扑优化，确定前部横梁3、中部横梁4、后部横梁6在车顶按照前中后的位置等距设置；

2)在SFE-CONCEPT软件建立车顶和横梁的全参数化模型，在SFE-CONCEPT软件中应用参数化模型知识库建立上车顶、下车顶、前部横梁、中部横梁和后部横梁的全参数化模型；

3)设置车顶负泊松比结构元胞的上胞壁长度为20.4mm，厚度为1.8mm，宽度为3.0mm；中胞壁长度为19.7mm，厚度为1.8mm，宽度为3.0mm；下胞壁长度为22.7mm，厚度为1.8mm，宽度为3.0mm；上胞壁与中胞壁间的角度设计为45°；中胞壁与下胞壁间的角度设计为130°，设置负泊松比结构元胞的设计参数后，在MATLAB软件建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型，基于MATLAB软件和仿生负泊松比结构参数变形关系建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型，其中参数化模型的精度采用相对误差进行评价，其中的误差值为96.4％，满足精度要求进行下一步；

4)将车顶和横梁的全参数化模型与仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型进行结合，从而建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的参数化模型；

5)采用拉丁超立方试验设计方法来进行样本点的选择，建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型；

6)验证仿生负泊松比结构汽车防护系统的精度；利用Kriging响应面模型技术和拉丁超立方试验设计方法进行结合所建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型，采用相对误差进行对近似模型的精度评判，其中的误差值为99.28％模型满足要求；

7)应用多目标粒子群算法和蒙特卡洛模拟技术对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行6σ稳健性多目标优化，应用多目标粒子群算法对建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统近似模型寻找多目标优化设计解，应用多目标优化满意度评价函数对优化设计解进行评价，满意度评价函数S的值越小则代表优化解越好，当仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化中的目标数为4时，则，

$S=\underset{q=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{m_q-m_{q,\min }}{m_{q,\max }-m_{q,\min }}$

其中，运用上述公式所得的S为2.08；

8)对仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化最优解进行6σ质量分析，其可靠性大于99.9999998％，优化解满足6σ质量水平，进行下一步验证；

9)基于获得的稳健性多目标优化解，利用仿生负泊松比结构汽车防护系统参数化模型快速建立经过优化设计的系统有限元模型，并对相关性能进行分析和对稳健性多目标设计结果进行验证，最终的优化设计的结果得到了改善，其准确性得到进一步的确认。

本发明的应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶(1)、下车顶(2)以及横梁，其特征在于，所述的上车顶(1)下车顶(2)之间通过横梁连接在一起，上车顶(1)以及下车顶(2)之间填充有仿生负泊松比结构填充内芯(5)。

2.根据权利要求1所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的上车顶(1)下车顶(2)与横梁的连接方式为焊接。

3.根据权利要求1所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，仿生负泊松比结构填充内芯(5)通过胶粘与上车顶(1)以及下车顶(2)相连接。

4.根据权利要求1所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构填充内芯(5)由仿生负泊松比结构元胞(8)规则地顺序排列并相互连接。

5.根据权利要求4所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构元胞(8)是由胞壁(7)围成的纵向轴对称结构，其截面呈规则的六边形。

6.根据权利要求1或2所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的横梁包括前部横梁(3)、中部横梁(4)、后部横梁(6)，所述的横梁将上、下车顶内部的仿生负泊松比结构填充内芯(5)隔断为四部分。

7.一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，其特征在于，具体步骤如下，

1)对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行拓扑优化，确定前部横梁(3)、中部横梁(4)、后部横梁(6)在仿生负泊松比结构汽车防护系统的基本位置；

2)在SFE-CONCEPT软件建立车顶和横梁的全参数化模型，在SFE-CONCEPT软件中应用参数化模型知识库建立上车顶(1)、下车顶(2)、前部横梁(3)、中部横梁(4)和后部横梁(6)的全参数化模型；

3)在MATLAB软件建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型，基于MATLAB软件和仿生负泊松比结构参数变形关系建立仿生负泊松比结构填充内芯(5)的参数化模型；

4)将车顶和横梁的全参数化模型与仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型进行结合，从而建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的参数化模型，建立的参数化模型满足精度要求进行下一步，若不满足则重新建立，直至满足要求。

8.根据权利要求7所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤，

5)采用拉丁超立方试验设计方法来进行样本点的选择，建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型；

6)验证仿生负泊松比结构汽车防护系统的精度；利用Kriging响应面模型技术和拉丁超立方试验设计方法进行结合所建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型，应用平方相关系数方法进行对近似模型的精度评判验证，满足要求进行下一步，若不满足，则返回步骤5)，直至模型满足要求。

7)应用多目标粒子群算法和蒙特卡洛模拟技术对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行6σ稳健性多目标优化，应用多目标粒子群算法对建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统近似模型寻找多目标优化设计解，应用多目标优化满意度评价函数对优化设计解进行评价，其中满意度评价函数值为S，其公式为，

$S=\underset{q=1}{\overset{t}{\Σ}}\frac{m_q-m_{q,\min }}{m_{q,\max }-m_{q,\min }}$

式中，t为仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化中的目标数，m_q,max，m_q,min则分别为多目标优化设计解集中第q个目标函数的最大值和最小值；

8)对仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化最优解进行6σ质量分析，如果优化解满足6σ质量水平，则进行下一步验证；如果优化解不满足6σ质量水平，则返回步骤7)进行6σ稳健性多目标优化，直至优化结果满足设计要求；

9)利用参数化模型对优化结果进行验证；基于获得的稳健性多目标优化解，利用仿生负泊松比结构汽车防护系统参数化模型快速建立经过优化设计的系统有限元模型，并对相关性能进行分析和对稳健性多目标设计结果进行验证。